某車載通信設(shè)備的抗振優(yōu)化設(shè)計(jì)

李崧，黃巍，劉平，張?jiān)?/p>

(中國(guó)電子科技集團(tuán)第三十研究所，四川成都，610041)

某車載通信設(shè)備的抗振優(yōu)化設(shè)計(jì)

李崧，黃巍，劉平，張?jiān)?/p>

(中國(guó)電子科技集團(tuán)第三十研究所，四川成都，610041)

本文通過(guò)金相切片分析法查找到印制板線路的物理斷裂處，從振動(dòng)仿真和機(jī)理分析得出印制板線路斷裂是由于其在使用環(huán)境中受到交變應(yīng)力的長(zhǎng)期作用產(chǎn)生的疲勞破壞。對(duì)該車載通信設(shè)備進(jìn)行加速度測(cè)試試驗(yàn)，表明故障印制板存在共振放大的現(xiàn)象，并從抑制共振放大量級(jí)的角度提出了兩種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，最后通過(guò)依靠仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性，電路板共振放大量級(jí)大幅衰減，效果顯著。

BGA封裝；印制線斷裂；可靠性；疲勞破壞；振動(dòng)放大；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引言

某裝甲車載通訊設(shè)備在整機(jī)無(wú)減振措施的情況下，通過(guò)位于外殼四角處的四顆固定螺栓將設(shè)備直接安裝于履帶式裝甲車的車艙內(nèi)壁，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間高頻次的隨車訓(xùn)練行駛后，個(gè)別設(shè)備內(nèi)部某印制板上BGA芯片焊盤(pán)處的印制板線出現(xiàn)了斷裂的情況，導(dǎo)致設(shè)備工作故障。

通過(guò)機(jī)理分析、仿真分析以及試驗(yàn)驗(yàn)證等手段對(duì)印制板線斷裂的原因進(jìn)行了深入分析，再?gòu)募夹g(shù)措施角度提出了兩種具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證分別得出實(shí)施兩種方案后的優(yōu)化效果。

1 故障現(xiàn)象與故障定位

設(shè)備設(shè)計(jì)人員根據(jù)故障樹(shù)對(duì)各個(gè)可能的故障原因進(jìn)行了逐一排查，最終將故障原因定位于設(shè)備內(nèi)部某印制板上BGA芯片的功能異常所致。通過(guò)采用立體顯微鏡和金相顯微鏡對(duì)BGA芯片各管腳相連的印制板線進(jìn)行金相切片分析，發(fā)現(xiàn)BGA芯片A2焊盤(pán)與印制板通孔相連的印制線出現(xiàn)了裂縫，該裂縫由焊料根部逐漸向下延伸至下方印制線，最終造成印制線貫穿性斷裂。裂縫情況如圖1、圖2所示。印制板線開(kāi)裂的形成原因疑似與裂縫所在區(qū)域在設(shè)備的使用過(guò)程中受到了較大應(yīng)力有關(guān)。

圖1 印制線與焊料的斷裂處（垂直視圖）

圖2 印制線與焊料的斷裂處（水平視圖）

2 振動(dòng)環(huán)境仿真與故障機(jī)理

2.1 振動(dòng)環(huán)境仿真模擬

根據(jù)設(shè)備的整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，利用力學(xué)分析軟件Ansys建立了整機(jī)的三維幾何模型，并按照GJB1032環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)條件，對(duì)設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)仿真模擬計(jì)算，通過(guò)計(jì)算結(jié)果得出研究目標(biāo)的最大位移（振幅）和應(yīng)力值，了解印制板線斷裂區(qū)域在振動(dòng)試驗(yàn)頻域內(nèi)（20Hz～2000Hz）的詳細(xì)振動(dòng)情況（僅顯示機(jī)內(nèi)目標(biāo)印制板卡的計(jì)算結(jié)果分布圖，后同）。

圖3 設(shè)備內(nèi)各印制板最大位移分布圖

圖4 故障印制板的應(yīng)力分布圖

圖5 BGA芯片應(yīng)力分布圖

仿真模擬計(jì)算結(jié)果顯示：

（1）印制板線斷裂位置處于故障印制板的位移（振幅）放大區(qū)域，如圖3。

（2）BGA芯片的A2焊盤(pán)位置也處于故障印制板上應(yīng)力較為集中的區(qū)域，如圖4。

（3）BGA芯片上的最大應(yīng)力值發(fā)生在A2焊盤(pán)的附近位置，應(yīng)力值為14.6MPa，如圖5。

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果可知，印制線斷裂處與A2焊盤(pán)均處于振幅放大和應(yīng)力集中區(qū)域，且A2焊盤(pán)是BGA芯片上應(yīng)力最大的位置。另外，A2焊盤(pán)處的最大應(yīng)力值為14.6MPa,小于BGA封裝無(wú)鉛焊料的屈服強(qiáng)度（54Mpa），也遠(yuǎn)小于印制線材料純銅的屈服強(qiáng)度（187Mpa）[1]，從理論上分析，瞬態(tài)應(yīng)力不會(huì)對(duì)焊盤(pán)或印制線造成破壞，疲勞破壞的可能性更大。

2.2 斷裂機(jī)理

裝甲車輛在訓(xùn)練行駛時(shí)，車內(nèi)裝載的電子設(shè)備會(huì)持續(xù)處于復(fù)雜的振動(dòng)環(huán)境之中，此時(shí)由車輛振動(dòng)產(chǎn)生的外界能量激勵(lì)通過(guò)機(jī)殼傳遞到印制板，印制板會(huì)在振動(dòng)激勵(lì)的方向上發(fā)生相應(yīng)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)印制板本身和印制板上的電裝器件都會(huì)承受不同程度的交變應(yīng)力（也稱循環(huán)應(yīng)力）。根據(jù)材料力學(xué)理論可知，任何材料在受到多次重復(fù)的交變應(yīng)力（循環(huán)應(yīng)力）作用后，即便使是應(yīng)力值低于材料的屈服極限，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的作用后，最終也會(huì)導(dǎo)致疲勞破壞，交變應(yīng)力下材料的累積塑性變形是疲勞破壞的主要原因。

由交變應(yīng)力引起的疲勞失效與靜應(yīng)力引發(fā)的強(qiáng)度失效有兩個(gè)明顯區(qū)別。

（1）疲勞破壞是材料在工作應(yīng)力在遠(yuǎn)低于強(qiáng)度極限甚至低于屈服極限的情況下突然發(fā)生的斷裂，往往具有突發(fā)性。

（2）即使是塑性性能很好的材料在疲勞破壞時(shí)也成脆性斷裂，斷裂前可能無(wú)明顯的塑性變形。

從振動(dòng)仿真計(jì)算和金相切片分析得知，焊點(diǎn)是在所受交變應(yīng)力低于無(wú)鉛焊料屈服強(qiáng)度情況下發(fā)生了斷裂現(xiàn)象；其次，采用純銅這種塑性性能很好的金屬材料制造的印制線也發(fā)生了斷裂現(xiàn)象。以上兩點(diǎn)都很符合疲勞破壞的兩個(gè)特征，印證了故障板卡的物理斷裂是由于疲勞破壞引起的。另外從振動(dòng)仿真結(jié)果來(lái)看，故障板卡的振幅放大區(qū)域疑似有共振現(xiàn)象產(chǎn)生（后文將通過(guò)實(shí)測(cè)故障區(qū)域的加速度值確定是否存在共振現(xiàn)象）。如果板卡在振動(dòng)中產(chǎn)生了共振現(xiàn)象，共振區(qū)的振幅、應(yīng)力、加速度等物理參數(shù)都會(huì)產(chǎn)生數(shù)倍甚至一個(gè)數(shù)量級(jí)以上的放大。由于BGA芯片最外圍拐角處的A2焊點(diǎn)的等效應(yīng)力最大，本身即為危險(xiǎn)焊點(diǎn)，在交變應(yīng)力放大后的反復(fù)作用下，A2焊點(diǎn)和相連印制線產(chǎn)生疲勞破壞的過(guò)程將會(huì)加快，更易造成板卡的物理失效。

2.3 加速度實(shí)測(cè)試驗(yàn)

為了進(jìn)一步分析故障板卡是否存在共振現(xiàn)象，我們對(duì)印制線斷裂區(qū)域進(jìn)行了加速度實(shí)測(cè)試驗(yàn)，根據(jù)輸入的振動(dòng)激勵(lì)加速度值和加速度傳感器測(cè)得的加速度值進(jìn)行對(duì)比確認(rèn)。小型加速度傳感器固定于A2腳附近的印制板板面，如圖6所示。

圖6 加速度傳感器在故障印制板上的布置圖

參考裝甲車行駛的典型振動(dòng)頻率（50Hz～500Hz），本次振動(dòng)試驗(yàn)的測(cè)試頻域設(shè)定為更寬的50Hz～1000Hz，采用正弦掃頻的振動(dòng)方式。振動(dòng)輸入的基準(zhǔn)加速度設(shè)定為2g。測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 加速度實(shí)測(cè)曲線圖

根據(jù)加速度曲線圖可知，從300Hz加速度開(kāi)始呈現(xiàn)逐漸放大的趨勢(shì)，到440.40Hz時(shí)達(dá)到峰值19.68g，此頻率點(diǎn)的加速度值放大了接近10倍，證明故障板卡在裝甲車行駛振動(dòng)頻率范圍內(nèi)確實(shí)存在共振現(xiàn)象，加劇了交變應(yīng)力對(duì)印制線的疲勞破壞程度。

3 優(yōu)化改進(jìn)方案

由于在現(xiàn)實(shí)工程設(shè)計(jì)中，振動(dòng)激勵(lì)1:1傳遞的理想剛性連接是幾乎不存在的。因此，我們結(jié)合故障機(jī)理提出一種優(yōu)化改進(jìn)的思路，即通過(guò)簡(jiǎn)單易行的設(shè)計(jì)方案大幅減小故障板卡在振動(dòng)環(huán)境中的共振放大量級(jí)，使故障區(qū)域印制線和焊盤(pán)受到的交變應(yīng)力、加速度和振幅都同步明顯減弱，從而達(dá)到提高故障區(qū)域印制線疲勞壽命的目的。

結(jié)合該設(shè)備的機(jī)內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和在裝甲車內(nèi)的實(shí)際安裝情況，我們分別采用了兩種具體的改進(jìn)方案以達(dá)到減小共振放大程度的目的。

方案一：在故障板卡共振較嚴(yán)重的區(qū)域內(nèi)增加一個(gè)固定約束孔，提高該區(qū)域的剛度，減小焊點(diǎn)動(dòng)態(tài)變形量，對(duì)共振放大程度起到一定的抑制作用。

方案二：在設(shè)備外殼的四只安裝耳上分別增加一副橡膠減振墊，提升設(shè)備整體的阻尼比值，起到緩沖隔振作用。如圖8。

圖8 優(yōu)化方案二改進(jìn)示意圖

4 優(yōu)化改進(jìn)效果驗(yàn)證

4.1 振動(dòng)仿真計(jì)算結(jié)果

我們根據(jù)兩種優(yōu)化方案分別對(duì)幾何模型進(jìn)行了修改調(diào)整，并重新進(jìn)行了仿真計(jì)算。

采用優(yōu)化方案一的仿真驗(yàn)證結(jié)果：

圖9 故障印制板的應(yīng)力分布圖（方案一）

圖10 BGA芯片應(yīng)力分布圖（方案一）

采用優(yōu)化方案二的仿真驗(yàn)證結(jié)果：

圖11 故障印制板的應(yīng)力分布圖（方案二）

圖12 BGA芯片應(yīng)力分布圖（方案二）

仿真計(jì)算結(jié)果顯示，采用兩種優(yōu)化方案BGA芯片的最大應(yīng)力值（即芯片A2腳處）都有明顯的大幅下降，詳見(jiàn)表1。

表1 采用優(yōu)化方案后的仿真計(jì)算結(jié)果

4.2 加速度實(shí)測(cè)驗(yàn)證

我們根據(jù)兩種優(yōu)化方案分別對(duì)兩臺(tái)測(cè)試樣機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)整改，在達(dá)到優(yōu)化方案的要求后重新做了加速度實(shí)測(cè)試驗(yàn)。

采用優(yōu)化方案一的加速度實(shí)測(cè)結(jié)果：

圖13 加速度實(shí)測(cè)曲線圖（方案一）

采用優(yōu)化方案二的加速度實(shí)測(cè)結(jié)果：

圖14 加速度實(shí)測(cè)曲線圖（方案二）

加速度實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，采用兩種優(yōu)化方案后BGA芯片A2腳附近區(qū)域的加速度峰值也有了顯著降低（詳見(jiàn)表2），說(shuō)明共振放大的程度得到了有效的抑制。

表2 采用優(yōu)化方案后的加速度實(shí)測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

通過(guò)采用振動(dòng)仿真計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試兩種技術(shù)手段證明，兩種優(yōu)化改進(jìn)方案均對(duì)故障印制板在使用環(huán)境中產(chǎn)生的共振放大起到了顯著的抑制效果，但在對(duì)故障處疲勞壽命延長(zhǎng)的量化評(píng)估上還需進(jìn)一步研究驗(yàn)證。對(duì)于處于惡劣振動(dòng)環(huán)境中使用的裝甲車載設(shè)備，應(yīng)該在設(shè)計(jì)方案完成初期引入振動(dòng)的模態(tài)分析、仿真計(jì)算等輔助設(shè)計(jì)手段，了解產(chǎn)品在振動(dòng)可靠性方面是否存在薄弱環(huán)節(jié)，再進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化改進(jìn)。比如，對(duì)于印制板在實(shí)際使用環(huán)境中的參考振動(dòng)頻率范圍內(nèi)存在共振的情況，可以通過(guò)增加印制板厚度，優(yōu)化固定安裝孔數(shù)量、間距等提高印制板整體剛度的方法，將其固有頻率提升到振動(dòng)參考頻率范圍以外，最大程度的避免共振的產(chǎn)生。也可以在易于實(shí)施的前提下，對(duì)設(shè)備整體或者對(duì)局部進(jìn)行設(shè)計(jì)減振設(shè)計(jì)，降低在共振發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力放大程度，延長(zhǎng)振動(dòng)薄弱處的疲勞壽命。另外，考慮到BGA這類微電子封裝器件在振動(dòng)可靠性方面的先天不足，從生產(chǎn)工藝的角度也應(yīng)采取相應(yīng)的處理辦法。如在BGA芯片完成貼裝后選擇適合的固化膠沿四周灌封加固，降低焊點(diǎn)所受應(yīng)力延長(zhǎng)疲勞壽命。

[1]邱宣懷.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，1997.

[2]王健石.工業(yè)材料實(shí)用手冊(cè)[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

[3]嚴(yán)煥斌，吳兆華.隨機(jī)振動(dòng)載荷下混裝組件焊點(diǎn)的可靠性分析[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2014,187（6），142-144.

Anti-vibration Optimization Design of a Vehicle Communication Equipment

Li Song，Huang Wei，Liu Ping，Zhang Yun
（The 30th Research Institute of CETC,Chengdu Sichuan,610041）

In this paper, the physical fracture of the printed circuit board is found by the micro-section inspection method From the vibration simulation and the mechanism analysis, the fracture of the printed circuit board is due to the fatigue failure caused by the long-term effect of alternating stress in the environment. The acceleration experiment of the vehicle communication equipment shows that there is resonance amplification phenomenon in the faulty printed circuit board And two optimized design schemes are proposed from the viewpoint of suppressing the magnitude of resonance amplification Finally, the feasibility of the schemes is verified by the simulations and experiments Simulation and experimental results indicate that the resonant amplification of the printed circuit board is greatly attenuated, and the effect is significant

Ball grid array package；PCB line break; Reliability；Fatigue damage；Vibration amplification；Structure optimizing

李崧（1980—），男，工程師，主要研究方向?yàn)檐娪秒娮友b備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

黃?。?982—），男，工程師，主要研究方向?yàn)檐娪秒娮友b備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

劉平 （1981-），男，工程師，主要研究方向?yàn)檐娪秒娮友b備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

張?jiān)疲?975-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)力學(xué)仿真設(shè)計(jì)。